CN109724868A - 一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，包括立柱、可上下滑动的设置在所述立柱上的上横梁和下横梁、设于所述上横梁上用以夹持试件上端部的上夹具、设于所述下横梁上用以夹持所述试件下端部的下夹具、用以对所述上横梁和所述下横梁施力的拉力机、用以监测所述拉力机拉力大小的拉力检测模块、平行所述立柱设置的导向滑轨以及可滑动的设置在所述导向滑轨上且分别与所述试件的两端跟随移动的两跟踪定位装置，所述跟踪定位装置具有可用以实时检测自身位移的位移测量模块，本发明的拉伸试验系统通过非接触方式实时跟踪定位，避免了对试件的影响，且图像采集模块能够动态上下跟随移动，垂直于试件方向成像，提高了测量准确性。

Description

一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统

技术领域

本发明属于材料物理性能测试技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统。

背景技术

拉伸试验用来检测材料的拉伸性能，在机械加工以及电缆制造中广泛应用，在电缆制造中，电缆型号多，每种型号都要进行护套的拉伸试验，试验过程中拉伸速度有限制，这些因素导致了电缆护套以及绝缘的机械性能拉伸试验最为费时，并且无法提高效率。

检验电缆护套材料主要有两个指标：断裂伸长率和抗张强度，断裂伸长率是试样拉伸至断裂时，标记距离的增量与未拉伸试件的标记距离的百分比，抗张强度是拉伸试件至断裂时记录的最大抗拉应力。

目前国内检测电缆护套拉伸长度的常用方法如下：

①人工测量法，在进行拉伸试验前，根据国标在拉伸试件上做标记，然后利用拉力机进行拉伸，同时人工使用卡尺测量标记线间的长度，直至试件被拉断，记录此时标记线之间长度。

②利用常规拉力试验机配合传感器自动完成拉伸长度的检测，由于采用计算机处理系统，可以解决人为误差问题，但由于采用的是接触式拉线传感器，会造成在护套接触部位的先天压痕。

根据国家标准要求，反映电线电缆绝缘层材料的抗张强度和断裂伸长率两项指标，需进行5 次实验，5 次实验再取中间值与标准中数值进行对比判断，拉伸长度是计算电线电缆护套抗张强度和断裂伸长率两个指标的基础。上述方法①需人工测量重复五次，整理原始记录时间长，效率低，劳动强度大，且人为误差率高，方法②每次只能检测一个试件，不能同时完成多个试件的检测，造成总体检测时间长，效率低，并且先天压痕的存在影响断裂伸长率检测试验结果。

经检索，目前典型自动测试技术方案如下：

方案1：卞吉(卞吉，《实用型微控式电子拉力机》，中国橡胶[J]，2003(9):26-27 .)设计的实用型微控式电子拉力机使用编码器测量被检测材料的拉伸长度，需要在被检测材料上安装跟踪夹，外部夹持力量的存在对护套局部的拉伸性能存在影响。

方案2：甄少华（李静昆、吴亚鹏、高振斌，申请号201610374243.0）的发明专利《基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置及方法》，提供一种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置及方法，通过工业相机采集电缆护套的图像信息，计算标记点之间的距离，从而得到电缆护套的拉伸长度，但广角成像时镜头畸变导致测量失真，并且图形识别计算量大，对硬件要求较高，可测量的拉伸长度受限于镜头成像范围和分辨率。

发明内容

本发明基于现有技术存在的缺陷提供一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，包括立柱、可上下滑动的设置在所述立柱上的上横梁和下横梁、设于所述上横梁上用以夹持试件上端部的上夹具、设于所述下横梁上用以夹持所述试件下端部的下夹具、用以对所述上横梁和所述下横梁施力的拉力机、用以监测所述拉力机拉力大小的拉力检测模块、平行所述立柱设置的导向滑轨以及可滑动的设置在所述导向滑轨上且分别与所述试件的两端跟随移动的两跟踪定位装置，所述跟踪定位装置具有可用以实时检测自身位移的位移测量模块。

进一步的，所述拉伸试验系统还包括与所述拉力机、所述拉力检测模块以及所述跟踪定位装置分别电连接的控制器，所述控制器用以实时储存并处理所述拉力检测模块测得的拉力、控制所述拉力机的启停、保证所述跟踪定位装置的跟随滑动以及用以实时储存并处理所述位移测量模块测得的位移数据。

进一步的，所述试件的两端部分别标记有图像识别区域，所述跟踪定位装置还包括用以识别所述图像识别区域并将采集的图像信息发送至所述控制器的图像采集模块，以及根据所述图像采集模块采集的图像信息在所述控制器的控制下实时保持与所述试件同步运动的跟踪定位模块，两所述跟踪定位装置分别对应两所述图像识别区域中的其中一者。

进一步的，所述图像识别区域采用荧光涂料或光敏涂料予以标识。

进一步的，所述拉伸试验系统还包括平行所述立柱设置且具有刻度的标尺，所述跟踪定位装置还包括用以在所述图像采集模块成像时指示当前停留位置所对应刻度的指针。

进一步的，所述指针与所述跟踪定位模块固定相连，当所述跟踪定位模块上下移动时，所述指针跟随其同步移动。

进一步的，所述控制器包括数据处理模块，所述数据处理模块将采集的数据生成所述试件的应力曲线图、应变曲线图和应力-应变曲线图，所述拉伸试验系统还包括与所述控制器相电连接用以进行参数输入以及显示数据、曲线或图像信息的人机界面。

进一步的，所述控制器还连接有报警模块，所述试件断裂时，所述报警模块发出声光报警或提示。

进一步的，所述导向滑轨包括第一滑轨，所两所述跟踪定位装置均设置在所述第一滑轨上。

进一步的，所述导向滑轨包括相互平行的第二滑轨和第三滑轨，两所述跟踪定位装置分别设置在所述第二滑轨和所述第三滑轨上。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的拉伸试验系统可用于实现拉伸试验过程的自动化，减少了人工操作，同时也提高了准确性，通过非接触方式实时跟踪定位，避免了对试件的影响，可以绘制出试验过程中的拉力和拉伸长度曲线，直观显示二者关系，便于发现缺陷；并且本发明中的图像采集模块能够动态上下跟随移动，垂直于试件方向成像，不存在广角成像时镜头畸变导致的测量失真误差，本发明可以采用低成本的硬件实现，无需特殊广角摄像头，不仅易于实现并且测量更精确，本发明的拉伸测量范围不受限于摄像头，可以根据需要灵活设定，容易形成系列化产品。

附图说明

附图1为本发明某一实施例中电缆护套拉伸过程中的应力-应变曲线以及对应的试件形状变化；

附图2为本发明拉伸试验系统的组成模块图；

附图3为本发明的拉伸试验系统一种实施方式的结构示意图；

附图4为本发明的拉伸试验系统另一种实施方式的结构示意图；

附图5为本发明某一实施例中图像采集模块的拍摄内容示意图。

其中，

1、立柱；2、上横梁；3、下横梁；4、上夹具；5、下夹具；6、拉力机；7、拉力检测模块；8、跟踪定位装置；801、位移测量模块；802、跟踪定位模块；803、图像采集模块；9、控制器；10、通讯接口；11、人机界面；12、报警模块；13、标尺；14、指针；15、第一滑轨；16、第二滑轨；17、第三滑轨；18、上方框；19、下方框。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

电缆为了保持良好的柔韧性，同时避免弯曲中受力开裂，电缆护套多采用高分子材料，为了检验电缆护套材料以及制造工艺是否满足要求，需要进行拉力试验，拉力试验需要根据试样的尺寸决定是否采用哑铃试件或管状试件，本发明中试件优先使用哑铃试件，只有当绝缘线芯尺寸不能制备哑铃试件时才使用管状试件。

本发明基于机器视觉的自动化拉伸试验系统包括立柱1、可上下滑动的设置在立柱1上的上横梁2和下横梁3、设于上横梁2上用以夹持试件上端部的上夹具4、设于下横梁3上用以夹持试件下端部的下夹具5、用以对上横梁2和下横梁3施力的拉力机6、用以监测拉力机6拉力大小的拉力检测模块7（即拉力检测模块7用于测量试件所承受的拉力）、平行立柱1设置的导向滑轨以及可滑动的设置在导向滑轨上且分别与试件的两端跟随移动的两跟踪定位装置8，跟踪定位装置8具有可用以实时检测自身位移的位移测量模块801。

拉伸试验系统还包括控制器9，具体的：控制器9与拉力机6相连用以控制拉力机6的启停，本发明中拉力机6的结构为现有公共技术，主要用来给试件施加载荷以完成试件的拉伸；控制器9与拉力检测模块7相连用以储存并处理拉力检测模块7测得的拉力；控制器9与跟踪定位装置8相连以保证跟踪定位装置8的跟随滑动并用以实时储存并处理位移测量模块801测得的位移数据。

优选的，拉伸试验系统还包括通讯接口10、人机界面11以及报警模块12。人机界面11用来显示数据或用以实现参数输入等人机交互功能，采集得到的数据也可以通过通讯接口10送到PC后进行存储以及后续数据处理。在检测到试件断裂后，可以根据设定驱动报警模块12发出声光报警或提示，提醒人工介入更换试件或采取其他处理措施，比如配合专用快速测试夹件接头，自动更换试件等。部分电缆护套材料特殊，具有高延伸率，当拉伸到了测量专用导轨的上下限后仍未断裂，则此时可以发出声光报警信息提醒人工介入处理，同时在程序中按照设定自动对数值记录保存后完成本次测试，准备进行下一次的测试。

在拉力试验前，在试件的中间部位标上两个标记作为图像识别区域，本实施例中两标记区域之间的间距为20mm。在拉伸过程中电缆护套试件出现变形，标记也随之发生变形，参见附图1示出了某一实施例中电缆护套拉伸过程中的应力-应变曲线以及对应的试件形状变化。

为了对试件的上下标记进行识别、跟踪、定位，配置了两组跟踪定位装置8，每组跟踪定位装置8包括跟踪定位模块802、图像采集模块803和位移测量模块801。为了图像采集模块803的记录需要，拉伸试验系统还包括平行立柱1设置且具有刻度的标尺13，跟踪定位装置8还包括用以在图像采集模块803成像时指示当前停留位置所对应刻度的指针14。跟踪定位模块802、图像采集模块803以及位移测量模块801均与控制器9电连接，指针14与跟踪定位模块802固定相连，当跟踪定位模块802上下移动时，指针14跟随其同步移动。参见附图2所示为本发明试验系统的组成模块图。

作为其中的一种实施方式，参见附图3所示，导向滑轨包括第一滑轨15，第一跟踪定位装置8以及第二定位跟踪装置均设置在第一滑轨15上。

作为其中的另一种实施方式，参见附图4所示，导向滑轨包括相互平行的第二滑轨16和第三滑轨17，两跟踪定位装置8分别设置在第二滑轨16和第三滑轨17上。

当对试件进行拉伸时，试件在上夹具4和下夹具5的夹持固定下，随着上横梁2和下横梁3的移动而拉伸变形，拉力检测模块7安装在试件的受力回路中，具体可为上夹具4或下夹具5或其他位置。随着试件的拉伸变形两跟踪定位模块802在控制器9的控制下分别进行相应的上下移动，指针14随着跟踪定位模块802同步上下移动，并在图像采集模块803中成像时指示当前停留位置对应的标尺13刻度。

参见附图5为试验系统的图像采集模块803的某一拍摄内容，上方框18为试件上方标记区域对应的跟踪定位模块802上的图像采集模块803的成像区域，下方框19为试件下方标记区域对应的跟踪定位模块802上的图像采集模块803的成像区域，上方框18内包括试件上方图像识别区域形状、标尺13当前刻度和指针14的位置，下方框19内包括试件下方图像识别区域形状、标尺13当前刻度和指针14的位置，其中标尺13和指针14用于记录存档，便于后期核查试验数据的准确性，图像采集模块803不断对试件进行拍照并送到控制器9进行图形识别，找出图像识别区域的当前位置并调整跟踪定位模块802的上下位置，位移测量模块801测量出当前停留位置数据，送到控制器9，控制器9根据试验初始位置数据计算出当前移动的距离，获得试件拉伸长度数据；拉力检测模块7实时测量当前试件承受的拉力并送到控制器9。

控制器9负责完成图像的识别、位移以及拉力数据的记录、测试结果输出以及通讯功能等，在护套试件拉伸前跟踪装置上的指针14被分别调整定位到护套上的上下标记处，使得每个标记区域的中心位于图像采集模块803的指定区域，图像采集模块803采集此时的指针14所处标尺13的机械刻度图像并发送给控制器9存储记录，同时记录位移测量模块801的数据作为初始位置数据。

在护套试件拉伸过程中，图像采集模块803不断对试件进行图像采集并送到控制器9存储记录，控制器9对采集到的图像进行识别后找出护套试件的标记区域，控制器9根据标记区域的变化自动调整跟踪装置的位置，从而改变图像采集模块803的上下位置，使得变形后的试件标记区域的中心始终位于图像采集模块803的指定区域，跟踪装置上的指针14也随之上下移动，跟踪装置在测量专用导轨上的移动被位移传感器测量并发送给控制器9存储记录，通过读取位移传感器的数据，可以实时测量并记录试件上下两个标记的位置信息，在拉伸过程中拉力检测模块7实时测量拉力的变化并发送给控制器9存储记录。在试件断裂后拉力突然消失时，此时拉力检测模块7的数据也随之发生了变化，控制器9检测到了拉力的变化，储存此时两个跟踪装置的位移数据和图片，并自动生成测试过程的力矩变化以及位移曲线，之后自动生成包括原始数据、计算结果、初始位置和断裂位置时刻的指针14机械刻度图像、力矩和位移曲线的试验报告，上述数据、曲线、报告可以在人机界面11中显示，也可以通过通讯接口10送到PC后进行存储以及后续数据处理。

为了便于图像采集模块803识别护套上的标记，降低运算量，提高识别速度，标记可以采用具有特殊色彩或荧光的涂料予以标识，以便图像采集模块803的识别，考虑到护套颜色多样性，有蓝色、灰色、白色、黑色、红色等，为了摄像头采集清晰以及降低识别计算量，可以采用荧光涂料或其他如红外、紫外等光敏涂料。

本发明通过增加专用测量导轨以及位移传感器，配合图像采集模块803中的高分辨率摄像头，实现护套拉伸变形过程中的非接触式的主动实时跟踪定位，无需对标尺13机械刻度的图像识别，降低了硬件成本，并且模块化设计，便于维护。试验结束能够绘制出试验过程中的拉力和拉伸长度曲线，直观显示二者关系，便于发现缺陷。本发明中图像采集模块803中的摄像头能够动态上下跟随移动，垂直于试件方向成像，不存在广角成像时镜头畸变导致的测量失真误差，本发明可以采用低成本的硬件实现，无需特殊广角摄像头，不仅易于实现并且测量更精确，本发明的拉伸测量范围不受限于摄像头，可以根据需要灵活设定，容易形成系列化产品。

本系统不仅可以应用于电缆护套测试中，也可以应用于其他材料的拉伸试验中。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：包括立柱、可上下滑动的设置在所述立柱上的上横梁和下横梁、设于所述上横梁上用以夹持试件上端部的上夹具、设于所述下横梁上用以夹持所述试件下端部的下夹具、用以对所述上横梁和所述下横梁施力的拉力机、用以监测所述拉力机拉力大小的拉力检测模块、平行所述立柱设置的导向滑轨以及可滑动的设置在所述导向滑轨上且分别与所述试件的两端跟随移动的两跟踪定位装置，所述跟踪定位装置具有可用以实时检测自身位移的位移测量模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述拉伸试验系统还包括与所述拉力机、所述拉力检测模块以及所述跟踪定位装置分别电连接的控制器，所述控制器用以实时储存并处理所述拉力检测模块测得的拉力、控制所述拉力机的启停、保证所述跟踪定位装置的跟随滑动以及用以实时储存并处理所述位移测量模块测得的位移数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述试件的两端部分别标记有图像识别区域，所述跟踪定位装置还包括用以识别所述图像识别区域并将采集的图像信息发送至所述控制器的图像采集模块，以及根据所述图像采集模块采集的图像信息在所述控制器的控制下实时保持与所述试件同步运动的跟踪定位模块，两所述跟踪定位装置分别对应两所述图像识别区域中的其中一者。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述图像识别区域采用荧光涂料或光敏涂料予以标识。

5.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述拉伸试验系统还包括平行所述立柱设置且具有刻度的标尺，所述跟踪定位装置还包括用以在所述图像采集模块成像时指示当前停留位置所对应刻度的指针。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述指针与所述跟踪定位模块固定相连，当所述跟踪定位模块上下移动时，所述指针跟随其同步移动。

7.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述控制器包括数据处理模块，所述数据处理模块将采集的数据生成所述试件的应力曲线图、应变曲线图和应力-应变曲线图，所述拉伸试验系统还包括与所述控制器相电连接用以进行参数输入以及显示数据、曲线或图像信息的人机界面。

8.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述控制器还连接有报警模块，所述试件断裂时，所述报警模块发出声光报警或提示。

9.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述导向滑轨包括第一滑轨，两所述跟踪定位装置均设置在所述第一滑轨上。

10.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的自动化拉伸试验系统，其特征在于：所述导向滑轨包括相互平行的第二滑轨和第三滑轨，两所述跟踪定位装置分别设置在所述第二滑轨和所述第三滑轨上。